这些由精制金属钚制成的纽扣是投在长崎的胖子炸弹的核心部分。
钚是一种具有放射性的银金属,可用于制造或破坏。虽然它在被制造出来后不久就被用于破坏,但今天,这种元素在世界各地主要用于制造能源。
钚最早是在1940年被生产出来并分离出来的,在第二次世界大战结束时被用于制造投放在长崎的“胖子”原子弹,当时它刚刚生产出来5年。
事实
根据洛斯阿拉莫斯国家实验室的数据,钚的性质如下:
原子序数:94
原子符号:Pu
原子量:244
熔点:1184 F (640 C)
沸点:5,842 F (3,228 C)
发现与历史
钚是由加州大学伯克利分校的科学家约瑟夫·肯尼迪、格伦·T·西博格、爱德华·M·麦克米兰和阿瑟·C·沃尔于1941年发现的。这一发现是在研究小组用在回旋加速器装置中加速的氘核轰击铀-238时发生的,从而产生了镎-238和两个自由中子。镎-238通过衰变变成钚-238。
这个实验直到1946年第二次世界大战后才与科学界的其他成员分享。1941年3月,西博格向《物理评论》杂志提交了一篇关于他们发现的论文,但当发现钚的同位素Pu-239可能被用于制造原子弹时,这篇论文被删除了。
西博格很快就被派往芝加哥大学领导钚生产实验室,也被称为大都会实验室。该实验室的目的是制造钚,作为曼哈顿计划的一部分。曼哈顿计划是第二次世界大战期间的一项秘密计划,专门用于研制原子弹。
1942年8月18日,他们第一次大获成功。他们能够制造出肉眼可见的微量钚。它只相当于1微克左右。从这个微小的样本中,科学家确定了钚的原子量。
曼哈顿计划最终为“三位一体试验”生产了足够的钚。1945年7月16日,洛斯阿拉莫斯实验室主任罗伯特·奥本海默和陆军将军莱斯利·格罗夫斯在新墨西哥州索科罗附近引爆了世界上第一颗原子弹,或称“小玩意”。
关于这次测试,奥本海默说:“我们知道世界将会不一样。有人笑,有人哭。大多数人都沉默了。我记得印度圣经《博伽梵歌》里的这句话。毗湿奴试图说服王子,他应该履行自己的职责,为了给他留下深刻的印象,他换上了多臂的样子,说:“现在我变成了死神,世界的毁灭者。”我想我们都这样想过,不管怎样”。
爆炸产生的能量大约相当于2万吨TNT炸药。1945年8月6日,第一颗战争用原子弹投在日本广岛。那颗被称为“小男孩”的原子弹的核心是铀。1945年8月9日,在日本长崎投下的第二枚原子弹的核是钚。这部被称为“胖子”的原子弹加速了第二次世界大战的结束。
钚的性质
新制备的钚金属具有明亮的银白色,但在空气中氧化时会呈现暗灰色、黄色或橄榄绿的光泽。这种金属在浓缩的无机酸中很快溶解。一大块钚摸起来是温暖的,因为阿尔法衰变释放出能量;较大的碎片可以产生足够的热量来烧水。在室温下,α型钚(最常见的形式)和铸铁一样硬而脆。它可以与其他金属合金化,形成室温稳定的三角形状,这种形状柔软而有延展性。与大多数金属不同,钚不是热或电的良导体。它具有低熔点和异常高的沸点。
钚可以与大多数其他金属形成合金和中间化合物,也可以与各种其他元素形成化合物。一些合金具有超导能力,其他合金则用于制造核燃料球团。它的化合物有各种颜色,这取决于氧化状态和各种配体的复杂程度。在水溶液中有五种价态离子。
钚和所有其他超铀元素都具有放射性危害,必须用专门的设备和预防措施来处理。动物研究发现,每公斤组织中含有几毫克的钚就会致命。
来源
钚一般在自然界中是找不到的。微量元素钚可在天然铀矿石中找到。在这里,它的形成方式与镎类似:通过中子照射天然铀,然后进行衰变。
然而,钚主要是核电工业的副产品。根据洛斯阿拉莫斯国家实验室的数据,每年大约生产20吨钚。废核燃料也可以经过再处理,从燃料中的其他元素中分离出可用的钚。
据世界核协会称,20世纪50年代和60年代的大气武器试验在地球大气中留下了成吨的钚,这些钚至今仍然存在。
使用
在大多数情况下,钚的用途并不大。事实上,在五种常见的同位素中,只有钚的两种同位素钚-238和钚-239被用于任何用途。
钚-238通过放射性同位素热电发电机为太空探测器提供电力。当探测器由于距离太阳太远而无法获得足够的太阳能时,这些发电机就会启动。使用钚-238的探测器有卡西尼号和伽利略号。
当浓缩到一定程度时,钚239就会发生裂变链式反应。正因为如此,它被用于核武器和一些核反应堆。
事实上,钚最大的用途之一是能源。根据世界核协会的数据,大多数核电站超过三分之一的能源来自钚。钚是快中子反应堆的主要燃料。
谁知道呢?
几十年来,科学家们一直想知道为什么钚不像同类中的其他金属那样发挥作用。例如,钚是导电的不良导体,它不能粘附在磁铁上。现在,研究人员已经找到了它“丢失的磁性”的藏身之处,这与元素外壳中电子的古怪行为有关。其他金属的外层有一定数量的电子,与之不同的是,当处于基态时,钚可以有4个、5个或6个电子。
外层电子数量的波动解释了为什么钚没有磁性:为了让原子与磁铁相互作用,外层未配对的电子必须在磁场中排成一行。
钚最稳定的同位素钚-244可以存在很长时间。根据杰斐逊实验室的说法,它的半衰期约为8200万年,通过α衰变衰变为铀-240。
钚是以冥王星的名字命名的。这是因为它排在以天王星命名的铀和以海王星命名的镎之后。
钚发射中子、β粒子和伽马射线。